第五章-控制轧制和控制冷却工艺讲义

第五章控制轧制和控制冷却工艺的选择与设计及其在轧制生产中的应用,5.1控制轧制和控制冷却基本内容及工艺参数设计,控制轧制工艺的主要内容根据钢材的化学成分、组织特点和对性能及质量的要求不同，制定各种钢材的控制轧制工艺包括的内容也不同，控制的参数及重点也各不相同，基本内容包括：坯料加热制度、轧制温度制度、变形制度、各道次间停留时间等几个方面。5.1.1坯料加热制度的选择原料有钢锭、连铸坯和钢坯三种。钢锭或坯料的加热制度与钢种和所采用的控制轧制工艺有密切关系；同时也与所采用的现有加热炉结构和特点有关。,加热制度主要有：坯料的入炉温度加热速度最高加热温度保温时间坯料出炉温度坯料温度均匀性、氧化和脱碳程度的要求。坯料的最高加热温度的选择：应考虑原始奥氏体晶粒度、晶粒均匀程度碳化物的溶解程度开轧温度和终轧温度的要求。,生产经验,采用控制轧制和控制冷却工艺的钢种有降低加热温度的趋势。控轧钢坯料的加热温度比普通热轧坯料的加热温度低50100左右。如果轧机的能力比较大，轧制压力和电机能力许可的话，加热温度可以进一步降低到1050左右。,因为提高加热温度除了增加燃料消耗、金属消耗和缩短加热炉的使用寿命外，将促使原始奥氏体晶粒粗大，延长道次之间的待温时间，影响轧机的生产能力，降低轧机的产量。,特别注意不具备轧后冷却设备或冷却设备能力不足时，因加热温度高而造成的终轧温度过高将使钢组织粗大而不均匀，力学性能降低,5.1.2选择和设计控制扎制工艺的类型,根据轧钢车间的轧机布置、结构、道次分配、冷却设备的型式、特点和冷却能力；按钢种的变形奥氏体再结晶曲线、变形奥氏体相变曲线图、相变产物组织状态、变形抗力曲线以及钢种的力学性能要求，选择以下工艺方案：,工艺方案,第一种方案：完全再结晶型控制轧制工艺。全部变形在奥氏体再结晶区进行，终轧温度不低于奥氏体再结晶温度的下限（奥氏体再结晶的最低温度），道次变形量不低于奥氏体再结晶的临界变形量。（T终T再，道c）第二种方案：完全再结晶型与未再结型配合的控制工艺。完全再结晶进行一定的变形部分再结晶区进行待温或快速冷却而在奥氏体的未再结晶区继续变形并在未再结晶区结束轧制。,工艺方案续,第三种方案：完全再结晶型、未再结晶型和奥氏体与铁素体两相区轧制的三阶段控制轧制。在奥氏体再结晶区轧制一些道次，接近部分再结晶区时进行待温或快冷，进入未再结晶区温度后继续轧制，在奥氏体和铁素体两相区轧制一定道次，达到一定变形量后终止轧制。国内轧机条件：多采用第一种和第二种类型的控制轧制方案。设计控制轧制工艺类型要与设计控制冷却工艺相配合才能取得更好的强韧化效果。,5.1.3控制轧制工艺参数的设计与确定,控轧工艺类型确定之后，应进一步设计和确定所有的工艺参数。钢材类型不同，确定工艺参数内容不同。中厚板和热轧带钢生产的控制轧制工艺参数包括温度制度和变形制度的确定。温度制度参数为开轧温度、中间停轧待温时的温度范围、未再结晶区的开轧温度及终轧温度。变形制度包括按控制轧制类型(阶段)进行轧制道次和变形量的分配、每道变形量的确定、未再结晶区总变形量的确定以及根据钢种要求确定平整道次的压下量。对平整道次临界变形量比较敏感的钢种应给予足够的注意。,不然，出于平整道次压下率确定不合适，引起晶粒严重不均，产生个别特大晶粒，造成混晶，导致性能下降。,道次变形分配,满足奥氏体再结晶区和未再结晶区临界变形量的要求，要考虑轧机设备能力及生产率的要求。压下量的分配一般在奥氏体区采用大的道次变形量，以增加奥氏体的再结晶数量，细化晶粒。在未再结晶区：在不发生部分再结晶的前提下，尽可能采用大的道次变形量，以增加形变带，为铁素体相变形核创造有利条件。在轧机能力比较小的条件下，采用在未再结晶区多道次、每道次小变形量并缩短中间停留时间的快轧控制方案，也取得较好的效果，而且不降低轧机产量。经验结论在未再结晶区大于4550的总变形率有利于铁素体晶粒细化。,终轧温度的确定,终轧温度必须按变形奥氏体的相变曲线来确定。因为热变形的影响，变形奥氏体向铁素体或渗碳体转变的相变温度都有提高。如果采用两相区终轧的控轧工艺，要根据变形奥氏体的相变温度确定在两相区内的压下道次、总变形量和终轧温度，只有这样才能达到两相区控轧要求。,工艺优化,根据各钢种的要求，提出的控制轧制工艺参数可以进一步进行工艺优化。优化参数：轧机的允许轧制压力、设备条件。优化后的控制轧制工艺参数既能满足控制轧制要求，又能满足轧机条件要求，充分发挥轧机能力，提高轧机产量，并为工艺参数的计算机控制提供了合理数据和控制程序。,1）型钢生产中的控制轧制工艺参数,温度制度生产型钢的孔型系统和尺寸基本确定例如改变加热温度、开轧和终轧温度等措施以实现控制轧制工艺。根据这一特点，型钢生产的控制冷却工艺的作用就十分重要了？通过控制冷却工艺参数可以达到改善钢材性能和开发新品种的目的。,2）热轧钢管生产的控制轧制工艺参数,温度制度和变形制度确定管坯的加热温度和各机组的变形温度和变形量。将控制轧制与控制冷却工艺相结合，特别是采用钢管形变热处理工艺以达到提高钢管性能、简化工艺过程和节省能源的目的。,3）控轧、控冷钢化学成分的调整,其他成分相同时，含0.1C钢的经过控轧，因晶粒细化，s相当于普通热轧含碳0.2%C钢的s值。由于铁素体晶粒细化和珠光体数量相对减少，钢的韧性得到提高。改善不了钢的焊接性能。碳对钢的韧性和可焊性不利，为了改善钢的塑性和焊接性能，在控制轧制条件下，低碳钢、低合金钢和微合金化钢可以适当降低碳含量。其他成分也要作适当调整如Mn、P、S、Si等。,5.1.4控制冷却工艺设计,根据钢材的产品种类、尺寸规格和形状的不同以及轧机特点和主设备布置的区别，控制冷却工艺各不相同，工艺设计的内容也有所差别。现就钢板、钢管和型钢的控制冷却工艺的设计分别介绍如下。,1)钢板控制冷却工艺的设计,(1)板带材的冷却方式主要根据以下选择冷却能力，冷却均匀程度，节省冷却介质(水、高压空气等)，节省动力，可控性好，灵活可靠，对水质要求不高，容易维修保养，能够用计算机进行控制。冷却方式：层流冷却、喷射冷却、喷流冷却、喷雾冷却、水雾混合冷却、冷床上进行风冷、空冷（在空气中自然冷却）、压力淬火和辊式淬火法（主要是采用高压水冷却钢板，同时用压力淬火机或辊式淬火机压住钢板以防止钢板变形）,(2)水冷设备和系统设计,按所选择的水冷方式对水冷设备进行设计。如果本车间已经具有控制冷却装置，则可以直接进行工艺参数设计。新设计的控制冷却系统主要包括以下各项的设计：水冷器的结构，数量及布置，水路系统，仪表和控制系统等。,(3)控制冷却工艺参数设计,根据控制冷却设备条件和钢板的组织性能要求，进一步选择和设计水冷工艺参数，其内容有：开始快冷温度，各水冷器的水压和水量，冷却时间，钢板移动速度，开启水冷器个数及顺序，钢板表面的最高返红温度(决定于钢板表面的冷却最低温度)。根据钢板的控制冷却制度，设计控制冷却程序，以便控制各工艺参数，达到预测的钢板组织和性能。,5.2板带钢控轧与控冷应用实例,5.2.1北极管线用针状铁素体钢,管线钢的发展历史,60年代末70年代初，美国石油组织在API5LX和API5LS标准中提出了微合金控轧钢X56、X60、X65三种钢。这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0.1-0.14%，在钢中加入0.2%的Nb、V、Ti等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到1973年和1985年，API标准又相继增加了X70和X80钢，而后又开发了X100管线钢，碳含量降到0.01-0.04%，碳当量相应地降到0.35以下，真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。,特点,韧性：利用细小的TiN来增加基体合金和焊缝的韧性。可焊性：降低C、Mn和Mo提高可焊性。强度降：降低Mn和Mo所带来的强度降低是用加V和运用严格的控制轧制来弥补。,利用细小的TiN控制轧制概要,增加板坯中的细小TiN含量来提高韧性。1）使板坯加热时的晶粒（此后称为H）细化至ASTM47号，并使细小的TiN（不大于0.02m，含量不少于0.004）在板坯中弥散分布。其结果是借助于在再结晶区域轧制的效果，奥氏体晶粒（此后称为R）显著地均匀细化，随后在非再结晶区轧制时拉长，轧后转变成均匀的细晶粒的显微组织。2）在再结晶区域轧制时，细小的TiN阻止再结晶的奥氏体晶粒长大，并加速它们的细化。3）利用细小的TiN的控制轧制操作一般可用于任何成分的钢。,运用细小的TiN控制轧制的研究,试验钢的化学成分,注：加热条件：加热时间、保温时间：所有钢均为1小时，不论它们的化学成分如何。当保温时间在0和2小时之间，而加热温度不高于1150时，随保温时间增加，晶粒的长大不超过ASTMNo.5级。,结论,加入细小的TiN使H细化，有助于控制轧制钢的显微组织细化和韧性改善这种工艺可用于任何化学成分的钢。例如在改善低C中Mn-Nb-V、低Mo钢的韧性也获得成功。采用这种工艺，新日本钢铁公司已建立了北极用厚壁X-70级管线的大规模生产系统。,5.2.2现代化宽厚板厂控制轧制和控制冷却技术,近三十年以来，控制轧制和控制冷却技术在国外得到了迅速的发展，国外大多数宽厚板厂均采用控制轧制和控制冷却工艺，生产具有高强度、高韧性、良好焊接性的优质钢板。,控轧控冷技术的冶金学原理,钢的强化机理及对韧性的影响钢的强化机理主要有:固溶、析出、位错、细晶(晶界强化、亚晶强化)、相变强化等。固溶强化：通过添加C,Mn,Si,Ni等合金元素来获得。通过添加Nb,V,Ti微合金元素及采用控制轧制工艺可实现细晶强化、析出强化、位错强化。在采用强化手段提高钢的强度的同时,还必须考虑到强化手段对钢韧性的影响。,获得细小铁素体晶粒途径三阶段控制轧制原理,奥氏体再结晶区域轧制(950)在奥氏体再结晶区域轧制时,轧件在轧机变形区内发生动态回复和不完全再结晶。在两道次之间的间隙时间内,完成静态回复和静态再结晶。加热后获得的奥氏体晶粒随着反复轧制-再结晶而逐渐变细。,图中第阶段,由于轧件温度较高,奥氏体再结晶在短时间内完成且迅速长大,未见明显的晶粒细小。,随着轧制温度的降低,轧制道次的增多(即:再结晶次数的增多),在低温再结晶区域(图中第阶段)轧制时,晶粒细化效果明显，强化作用充分体现出来,相变后的组织为细小等轴的铁素体晶粒和珠光体组织。,奥氏体未再结晶区域轧制(950Ar3),在奥氏体未再结晶区域(图中第阶段)轧制时,由于轧后的奥氏体不产生再结晶,因此随着轧制道次的增加,变形奥氏体晶粒沿轧制方向逐渐拉长,且在变形奥氏体晶粒中形成大量的变形带和位错。变形奥氏体的晶界、变形带及位错等处是铁素体形核部位。随着变形量的增大,变形带数量增多,而且分布更均匀。另外奥氏体晶粒被拉长后,将阻碍铁素体晶粒的长大,因而相变后可获得更加细小的铁素体及珠光体组织。,对于微合金钢而言,微合金元素的碳氮化合物在相变时,优先在奥氏体晶界、变形带、位错处析出,从而阻碍铁素体、珠光体晶粒的长大。,奥氏体和铁素体两相区轧制(950，在确定板坯出炉目标温度时，必须考虑这一因素。该阶段累积压下率通常占总压下量的60%80%，轧后中间坯厚度为成品厚度的34倍，以确保后阶段轧制时奥氏体有足够的延伸，发挥控制轧制的强化作用。未再结晶区域轧制奥氏体未再结晶区域轧制开轧温度通常在900800之间，尽可能避开奥氏体部分再结晶区域，防止因出现奥氏体混晶组织对性能造成不利影响。在未再结晶区结束轧制的控轧工艺，终轧温度Ar3。,Ar3取决于钢的化学成分、变形量等影响因素，应通过试验方法确定，这对制定目标终轧温度是必要的。两相区域轧制在(+)两相区进行轧制的控轧工艺，终轧温度Ar3。在确定终轧温度时，必须考虑到两相区轧制的累积变形量，一般取20%30%：使未相变变形奥氏体晶粒在两相区轧制时继续拉长；相变获得的铁素体晶粒产生塑性变形，形成亚晶结构及位错，以进一步提高钢板的强度及韧性。高牌号管线钢终轧温度一般选680720。,控制轧制生产工艺,宽厚板厂控制轧制工艺与常规轧制工艺相比，由于增加了中间待温冷却，后阶段需在规定温度范围内轧制且累积压下率有特殊要求，因此轧钢工艺很复杂。如果中间坯在冷却过程中，轧机处于空载待机状态，将大大影响轧机产量，因而国外宽厚板厂自70年代开始采用多块板坯交叉轧制方式，减少轧机待机时间，提高产量。,单机架二阶段控制轧制工艺,此控制轧制工艺比较简单,对产量的影响程度较小,但要求轧机前后有足够长的待温冷却辊道。为了缩短中间坯的冷却时间,日本的一些宽厚板厂采用水冷装置进行强制冷却。,双机架两阶段控制轧制工艺,此工艺也比较简单,但应有较长的中间辊道供中间坯待温冷却用。,双机架三阶段控制轧制工艺,德国迪林根宽厚板厂采用三阶段控制轧制工艺生产管线钢。在粗轧机上进行第一阶段轧制。轧后的粗轧中间坯在中间辊道上空冷至规定温度后在精轧机上进行第二阶段轧制，在高温未再结晶区域完成第二阶段轧制。轧成的精轧中间坯迅速送至加速冷却装置进行强制冷却，冷却至规定温度后在精轧机上进行第三阶段轧制，在低温未再结晶区域开轧，在两相区结束轧制。,控制轧制和控制冷却组合技术的应用,不同阶段的控制轧制均能细化铁素体晶粒，改善钢板的强度和韧性。但变形使得相变温度升高，从而削弱了控制轧制效果。轧后采用加速冷却工艺，能在原有成分基础上进一步提高钢的强度，也能在降低碳当量的情况下保持原有的强度，从而改进钢板的韧性及焊接性能。两相区轧后冷却强化效果比未再结晶区域轧后冷却产生的强化效果差，这是由于加速冷却仅对未相变奥氏体组织起强化作用。,国外现代化宽厚板厂采用控轧控冷组合工艺生产高强度管线钢,迪林根宽厚板厂80年代末采用三阶段控制轧制和轧后加速冷却工艺生产高强度X65、X70管线钢。90年代初开始改为采用三阶段控制轧制、中间坯强制水冷及轧后加速冷却工艺，以达到降低合金元素量、降低碳当量、改善钢的韧性及焊接性能的目的。中间坯强制冷却强化机理是通过抑制变形奥氏体回复，使得相变后铁素体组织更加细小、贝氏体组织更加均匀弥散分布来实现的。日本众多的宽厚板厂采用控轧控冷组合工艺生产高强度船板。如日本钢管福山宽厚板厂采用单一化学成分、不同工艺生产25mm厚360MPaA、D、E级高强度船板，且满足各种级别韧性要求。,控轧控冷工艺对宽厚板工厂设备的要求,控制轧制的显著特点是超低温轧制和高负荷轧制，对轧机设备提出了极高的要求。对于5m级宽厚板轧机,最大轧制压力应达100MN。为了确保成品钢板的厚度精度、低平凸度、良好的平直度,轧机的刚性系数应达10kN/mm,支承辊直径达20002400mm,同时应采用工作辊弯辊等平直度控制手段。控制轧制所需的大轧制力矩，轧机主传动电机功率应达210000kW(上、下单独传动)，允许最大过载力矩达24000kNm，电机转速060/120r/min，最大轧制速度达6.57m/s。,对加速冷却装置、热矫直机的能力及钢板平直度确保功能提出了很高的要求。为了使冷却后的钢板在长度、宽度方向上温度均匀，国外加速冷却装置及相关计算机控制系统均有特殊控制功能。国外出现了最大矫直力达40000kN等级的强力热矫直机。对剪切线设备提出了新的要求。国外出现了可剪切钢板强度达1200MPa(厚度40mm)的强力三曲轴(或二曲轴)滚切式剪切机，此类设备适应了控轧控冷技术的发展。各类工艺参数控制精度要求极高。从加热至热矫直机，至少必须由两级计算机实施生产工艺过程全自动控制，同时必须设置大量的钢板位置检测仪表及测温仪表。国外大多数宽厚板厂均采用四级计算机控制。,5.3控制轧制及控制冷却在型钢生产中的应用,5.3.1控制轧制及控制冷却在棒材生产中的应用,工艺参数的特点控制轧制和控制冷却的工艺参数控制与普通热轧工艺相比具有如下特点:(1)控制钢坯加热温度。对于要求强度高而韧性可以稍差的微合金钢,加热温度可以高于1200。对以韧性为主要性能指标的钢材,则其加热温度要控制在1150以下。(2)控制最后几个轧制道次的轧制温度。终轧道次的轧制温度接近3温度,有时也将终轧温度控制在(+)两相区内。,(3)在奥氏体未再结晶区内给予足够的变形量。对微合金钢要求在900950以下的总变形量大于50%,普通碳钢通过多道次变形累计达到奥氏体发生再结晶。(4)控制轧制后的钢材冷却速度、开始快冷温度、快冷终了温度,以保证获得必要的显微组织。通常要求轧制后的第一冷却阶段冷却速度要大,第二阶段冷却速度根据钢材性能要求而定.,该工艺在螺纹钢筋生产中的应用,连轧棒材生产线中,钢材是在规定的孔型系统中完成的,变形条件基本固定,不可能进行大范围的变形量调整。全连轧棒材生产线在生产螺纹钢筋时,主要是采用控制开轧温度和终轧温度的手段来改善变形奥氏体的组织状态,提高钢材综合性能.,螺纹钢筋的控制冷却,螺纹钢的控制冷却：利用热轧螺纹钢轧后在奥氏体状态下很快冷却,表面淬成马氏体,随后由其心部放出余热进行自回火,以提高强度与塑性,改善韧性,得到良好的综合力学性能。螺纹钢的综合力学性能和工艺性能,如屈服极限、反弯、冲击韧性,疲劳寿命和焊接性能等,同螺纹钢的最后组织状态有关。而获得何种组织则决定于钢的化学成分、螺纹钢直径、变形条件、终轧温度、轧后冷却条件及自回火温度等参数。合理地选择轧后控制冷却工艺是获得所要求螺纹钢性能的主要任务,螺纹钢轧后的控制冷却工艺,包括下三个阶段:1.螺纹钢表面淬成马氏体阶段：螺纹钢离开精轧机后,在终轧温度下,尽快地进入高效冷却装置进行快速冷却。螺纹钢的冷却速度必须大于使表面层达到一定深度淬火成马氏体的临界温度,表面温度低于马氏体开始转变的临界温度,发生奥氏体向马氏体的转变。心部由于温度高仍处在奥氏体状态,表层则为马氏体及残余奥氏体组织,表面马氏体层的厚度决定于轧后强制冷却的时间。,2.自回火阶段：螺纹钢经第一阶段快速冷却后,在冷床上进行空冷。由于第一阶段快冷造成螺纹钢截面上各点的温差较大,心部的热量将向表面层扩散传导,形成马氏体的自回火。根据自回火的温度高低,可以得到回火马氏体/回火索氏体,表层的残余奥氏体马氏体。靠近表面的过渡层：根据钢的成分冷却条件的不同,奥氏体将转变成贝氏体、托氏体或索氏体。心部：仍处在奥氏体状态。这一段时间的长短取决于螺纹钢直径大小和前一阶段的冷却条件。,3.心部的奥氏体转变阶段：螺纹钢在冷床上空冷一段时间后断面上的温度趋于一致,并同时降温,达到奥氏体向铁素体转变温度,开始相变。根据钢的化学成分、螺纹钢直径大小以及前阶段的冷却效果,心部将转变成铁素体和珠光体或索氏体或贝氏体组织。,螺纹钢轧后控制冷却的方法,根据螺纹钢在轧后快冷前变形奥氏体的再结晶状态,螺纹钢轧后冷却的效果可以分为两类:变形的奥氏体已经完全再结晶,变形引起的位错或亚结构强化作用已经消除,变形强化效果减弱或消除,因而强化只能靠相变完成,综合力学性能提高不多,但是应力腐蚀稳定性较高。轧后快冷之前,奥氏体未发生再结晶或者仅发生部分再结晶,在变形奥氏体中保留或部分保留变形对奥氏体的强化作用,变形强化和相变强化效果相加,可以提高螺纹钢的综合力学性能,但应力腐蚀开裂倾向较大。,螺纹钢轧后控制冷却的方法:,一般可分为两种：小断面螺纹钢：轧后立即冷却,在冷却介质快速冷却到规定的温度,或者在冷却装置中冷却一定时间后停止快冷,随后空冷,进行自回火。生产适合采用此种冷却方法。大断面螺纹钢：先在高速冷却装置中用很短时间将螺纹钢表面过冷到马氏体转变点以下形成马氏体,并立即中断快冷,空冷一段时间,使表面层的马氏体回火,形成回火索氏体;然后进行二冷快冷一定时间,再次中断快冷进行空冷,使螺纹钢芯部获得索氏体组织、贝氏体及铁素体组织。这种冷却方法获得的螺纹钢筋抗拉强度及屈服强度略低,延伸率几乎相同,而抗腐蚀稳定性好。同时,对大断面钢材来说,还可以减小内外温差。,影响控制冷却螺纹钢筋性能的因素,加热温度：加热温度影响钢坯的原始奥氏体晶粒的大小、各道次轧制温度及终轧温度,影响道次之间及终轧后的奥氏体再结晶程度及晶粒大小。当其他变形条件一定时,随加热温度的降低控制冷却后的钢筋性能明显提高。如果不降低坯料的加热温度,又需要降低终轧温度,则可以在终轧前设置快冷装置,降低终轧前的钢坯温度。,变形量：控制终轧前几道次的变形量,将道次变形量与轧制温度很好的配合,对钢筋快冷以前获得均匀的奥氏体组织、防止产生个别粗大晶粒以及造成混晶有重要作用,水冷后可以得到均匀组织。终轧温度：终轧温度高低决定了奥氏体的再结晶程度。当冷却条件一定时,直接影响淬火条件和自回火条件。为了保持钢的自回火温度相同,在终轧温度不同时,必须通过改变冷却工艺参数来达到。经验表明,一般终轧温度较低时钢筋的强化效果好。,终轧到开始快冷的间隔时间：主要影响奥氏体的再结晶程度。1.如果轧后钢筋处于完全再结晶条件下,高温下停留时间加长,奥氏体晶粒容易长大,将使钢筋的力学性能降低。2.如果轧后钢材处于部分再结晶区,则延长轧后的停留时间,可以增加奥氏体的再结晶数量,快冷之后有利于获得均匀的组织。3.轧后为未再结晶状态时,则要求轧后立即快冷,防止发生部分再结晶。,冷却速度:提高冷却速度可以缩短冷却器的长度,保证得到钢筋表面层的马氏体组织。如果冷却速度比较低,则用加长冷却设备即增加冷却时间来达到。一般钢筋从1030到400的控制冷却速度是:10的钢筋冷却速度560760/S;12的钢筋冷却速度为375500/S;14的钢筋冷却速度为325365/S,冷却速度可通过水量、水压的调节来达到。,力学性能,连轧棒材生产线在生产335螺纹钢筋时充分运用了控制轧制和控制冷却技术,使产品获得了良好的力学性能指标,随机抽取不同规格335螺纹钢筋样本量各500批,经统计分析,5.3.2型钢的控制轧制技术,生产屈服强度大于或等于355,低温(-20-60)冲击韧性和焊接性能良好的结构钢,有两种不同的工艺-轧后加热正火和控轧()工艺能达到上述要求。工艺比正火工艺有更多优点：碳当量低,焊接性能非常好;可省去离线热处理,缩短生产时间,生产率大大提高;对型钢的长度没有限制,产品更经济。工艺比正火工艺更具竞争力。,卢森堡阿尔贝德厂的工艺特点,对变形和温度同时控制,终轧温度控制在3以上50内。终轧温度控制在3以上还是在3与1之间,所生产的产品性能存在着差异。如果终轧温度控制在略高于3之上,可以获得最好的控轧效果。这样会减少冷作硬化效果,但在焊接期间和消除应力退火后的韧性以及金相组织稳定性较好。,普通的工艺有以下缺点,(1)考虑到轧辊轴承的最大承载能力,其原料厚度50;(2)轧制产品整个横载面上性能不均匀;(3)通过空冷来控制精确的轧制温度,需要各道次之间有等待时间,轧机的生产效率。,实现工艺,可在轧机上安装相应的水冷装置,对翼缘腹板过渡区实行水冷,消除温差,防止腹板波。该水冷装置必须具有:(1)均匀地冷却左右翼缘;(2)不至因飞越翼缘的冷却水或来自头部及尾部的剩水而冷却腹板;(3)由于设置了大量的喷嘴,维护保养性能好。为了满足这些要求,水冷装置将喷嘴部件设置在侧导板的本体内,冷却水从侧导板的缝隙处喷射出来。,工艺：控轧-局部冷却工艺,弥补工艺不足,开发了工艺(控轧-局部冷却工艺)。工艺的目的就是在轧制时对翼缘腹板过渡区进行优先局部冷却,使翼缘温度均匀分布,从而提高型钢轧件横截面上性能的均匀性。,图2显示了工艺及普通工艺对40厚优质型钢翼缘部缺口韧性的影响。从图中可见,生产的型钢翼缘部的缺口韧性较均匀,且其值较高。,图4显示了工艺和普通工艺生产的355海上用钢在-40条件下,材料厚度对缺口韧性的影响。工艺钢的韧性比普通工艺生产的要好,材料的最大可能厚度可以增加。普通工艺生产的型钢翼缘厚度上限为60左右,而工艺生产的型钢翼缘厚度即使达到80,其韧性仍然十分优异。,实践证明,工艺不仅能提高轧机生产率,而且能改善轧制产品的性能:(1)轧机生产率提高:根据缘厚在轧制时进行局部冷却,能使轧机产量提高5%15%。这是因为该工艺减少了为达到最佳终轧温度而需要等待的时间。(2)质量提高:在整个型钢的截面上力学性能达到高度的一致,而与材料厚度无关;提高了截面较厚型钢的性能。,工艺：淬火-自身回火工艺,通过控轧工艺,型钢的性能有了很大改善,然而由于设备最大容许承载能力的限制,进一步提高产品性能受到一定的限制。,工艺(淬火-自身回火工艺)提供了一种能避开这种限制的可能性。工艺是对终轧后的型钢进行快速水冷使其表面生成马氏体组织,在轧件中心冷却之前停止冷却,表面马氏体组织利用中心余热进行自回火的工艺。,实现工艺的前提条件是,(1)在进一步冷却之前型钢的横截面温度要均匀。通过在轧制期间翼缘腹板过渡区的优先冷却的工艺来达到,借助冷却,使存在的温差得到平衡。(2)横截面必须均匀冷却,以获得均匀的力学性能。为了达到这个目的,借助于箱式喷水装置,把冷却水均匀地喷向整个型钢的横截面。据资料介绍,利用实验研究和实际轧制试验所建立的数学模型,工艺已完全可由计算机控制,如轧制过程中的温度测量在粗轧机组和中间机组上进行冷却强度、冷却水量分配以及型钢在设备中的运行速度都得到了控制,这样,型钢在整个长度和截面上的均匀处理得到了保证。,图6显示工艺对缘厚为40型钢的力学性能的影响。可以看出,工艺大大地提高了它的屈服强度、抗拉强度和冲击韧性,而且延伸率还相当好,目前,用工艺所能生产的型钢高度为2001100,每米重量可达1400。在将来,可按此工艺生产腹板高1100,翼缘厚140的型钢,其屈服强度达460,而碳当量却可控制在0.35%左右。采用工艺可生产新型钢材,厂就根据工艺中产品化学成分、产品厚度和力学性能之间的关系,研究开发了一种称为的高强度型钢,对这种型钢已经按实际尺寸进行了冷热状态下的折叠、弯曲、螺栓和焊接连接件的拉伸、焊接钢桩的打桩等试验,均获得了满意的效果。,工艺的主要优点是,(1)产品的屈服强度高,与具有相同化学成分而未经处理的材料相比,其值可提高100150;(2)具有较为理想的金相组织,因而获得了良好的韧性;(3)减少了要求特殊力学性能型钢中的合金含量,改善了焊接性能;(4)相同原始化学成分的材料可生产出不同种类的型钢,改变工艺条件就可获得所需要的力学性能;(5)生产成本,5.4控轧和控冷工艺在钢管生产中的应用,钢管的控制轧制、控制冷却的目的主要有以下几个方面：1)进一步捉高现有品种热轧钢管的力学性能、物理性能和化学性能，达到或超过热处理钢管的性能，以取消热处理工艺、简化生产工艺过程。2)由于取消了调质工艺，简化了生产过程，缩短了生产周期，节省了能耗。3)开发新品种或生产具有某些特殊组织、性能要求的钢管。,5.4.1钢管的控制轧制和控制冷却,钢管的控制轧制主要是指变形温度和变形制度的控制。根据钢种的变形奥氏体再结晶和奥氏体向铁素体或渗碳体和珠光体相变规律及变形设备条件，设计变形温度和变形量，控制所要求的组织状态及晶粒大小，分配机组上的总变形和变形温度范围。在高温条件下给予大变形会得到均匀较细小的奥氏体组织，为在下一机组上钢的变形创造较好的组织条件。在斜轧变形时，由于变形条件的恶劣，变形前钢材的组织结构不理想将会在斜轧变形时产生某些缺陷。根据各种轧管机组变形特点的不同，变形的控制重点可以分别安排在不同机组上，例如，在变形比较均匀的机组上分配比较大的变形量，不均匀变形比较大的机组上分配较小的变形量。在奥氏体未再结晶区的温度范围内时，应当保证有足够大的总压下率。,控制冷却主要是指钢管热轧过程中在某一机组之后采用控制钢材的冷却速度以保证进入下一机组的钢材温度，同时也包括对轧后成品控制冷却速度。根据钢种的不同和对钢管的性能要求不同，可以采用轧后在某一温度范围内进行快冷然后以空冷的控制冷却工艺，以获得细化的铁素体组织或者控制碳化物的析出，也可以利用轧后余热直接淬火成马氏体再进行回火处理。钢管的控轧和控冷工艺在热轧钢管生产中得到普遍采用。它是形变强化和相变强化的结合，能极大程度地提高钢管的性能。,钢管控制轧制和控制冷却的种类,1)高温变形贝氏体化处理：这种方法的特点是使钢管在热轧变形后不直接快冷到马氏体转变温度，而是先快冷到中温区，然后再于静止的空气中冷却，以使变形奥氏体转变成贝氏体，省掉了回火工艺。中温转变的热处理设备安装在定径机或减径机之后的水冷设备的后面。由于钢中化学成分的不同，贝氏体相变前的快速冷却介质既可以用水，也可以用水和空气的混合体。采用这种工艺生产的钢管强度指标同普通热轧状态相比几乎增加了一倍，而钢中的残余应力不大。这是由于经高温变形贝氏体化后几乎全是贝氏体组织，而普通热轧状态的组织则是铁索体、贝氏体、马氏体和残余奥氏体的混合体。如果在减径后进行快速冷却，并进行贝氏体处理，由于减径的变形量加大，则钢管的力学性能提高幅度比定径机轧后快冷后的钢管性能好得多。可见加大快速冷却前的变形量有利于提高控制冷却的效果。,2)钢管轧后余热正火,控制终轧温度为980以上，利用余热正火和730-760高温回火，则钢管的持久性能在塑性足够的情况下比普通热轧工艺和经热处理后的钢管性能提高40-60MPa，而且钢管断面上的力学性能是均匀的，并且节省了一次正火处理的加热。成分相近的合金结构钢都可以来用这种控轧和控冷工艺。如合金结构钢2CrlMov高压锅炉管可采用该工艺。,3)钢管轧后直接淬火,钢管终轧后(减径或定径之后)从终轧温度进行直接淬火成马氏体，并进行回火。由于终轧温度的高低不同则又分为高温轧制和控冷；低温轧制和控冷工艺。高温轧制和控冷：轧制过程中奥氏体（Ar3以上）温度急冷到AC1温度以下，而高于Ms温